燃料电池电动汽车课件-

料燃电池电动汽车目录CONENTS组成及特性01.优势和缺点02.发展历程及现状03.现实事例04.总结05.组成及特性01燃料电池工作原理燃料电池是通过电化学反应把燃料中的化学能直接转化为电能的发电装置的统称。本质是氧化还原反应，燃料通过阳极侧进入，空气或氧气通过阴极侧进入，二者在电解质两侧分别发生氢氧化反应与氧化还原反应，电子流经外电路做功，从而产生电能。

CREATIVEReadMore燃料电池分类及应用通常按照不同的电解质类型进行分类：碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池。发展速度最快的是碱性燃料电池，主要作为航天飞机的动力电源；磷酸燃料电池作为中型电源应用已经进入商业化阶段，是民用燃料电池的首选；熔融碳酸盐燃料电池目前已完成工业试验阶段；固体氧化物燃料电池的发展起步较晚，但它是发电领域最有发展前途的技术；质子交换膜燃料电池发展相对成熟，现在已经可以作为车辆和小型发电装置使用。燃料电池有两个电极，分别是由正极和负极（燃料电极是负极而氧化剂电极是正极）以及电解质组成。氢-氧燃料电池反应是电解水的逆过程：负极：H2+2OH-→2H2O+2e-（1）正极：1/2O2+H2O+2e-→2OH-（2）图1为氢燃料电池工作原理示意图。（3）图2为商用车燃料电池工作原理。商用车燃料电池的结构分析质子交换膜燃料电池堆是由几十到几百个单电池构成的，其中一个单电池主要由膜电极和双极板等部件构成的。其结构示意图如图所示。

PEMFC的工作原理一个PEMFC本体由若干个电池单体组成．而电池单体主要包括质子交换膜、催化层、气体扩散层、双极板．质子交换膜与催化层可构成三合一膜电极组件进一步与气体扩散层可构成五合一膜组件．膜组件的中心是质子交换膜，其两侧是催化剂层和扩散层，形成电池的阴极和阳极．双极板上开有沟槽，突出部分用于收集电流，凹下部分为气体的流动通道．PEMFC中的质子交换膜一般多为固态聚合物，催化剂为Pt/C或Pt-Ｒu/C，燃料为氢气或者净化重整气，氧化剂为空气或者纯氧．PEMFC的工作原理如图1所示．

3）氢燃料来源广泛，可以从可再生能源获得，不依赖石油燃料；4）运行平稳，无噪声；1）能量转化效率高：燃料电池的能量转换效率为内燃机的2~3倍；2）零排放，不污染环境：燃料电池的燃料是氢和氧，生成物是清洁的水；

5）对比锂电池，燃料电池可以保留人们的驾驶习惯，它解决了锂电池的续航能力和快速补能问题；6）在低温启动，能量回收技术及循环寿命上，燃料电池汽车也接近于传统内燃机汽车的性能。特点优势和缺点02优点①零排放或近似零排放，绿色环保。燃料电池电动汽车在本质上是一种零排放汽车，燃料电池没有燃烧过程，若以纯氢作燃料，通过电化学的方法，将氢和氧结合，生成物是清洁的水；采用其他富氢有机化合物用车载重整器制氢作为燃料电池燃料，生成物除水之外还可能有少量C02，但排放量比内燃机要少得多，且没有其他污染排放（如氧化氮、氧化硫、碳氢化物或微粒）问题，接近零排放。与传统汽车相比既减少了机油泄漏带来的水污染，又降低了温室气体的排放。②能量转换效率高，节约能源。燃料电池的能量转换效率极高。燃料电池没有活塞或涡轮等机械部件及中间环节，不经历热机过程，不受热力循环（卡诺循环）限制，故能量转换效率高，燃料电池的化学能转换效率在理论上可达100%，实际效率已达60%～80%，是普通内燃机热效率的2～3倍（汽油机和柴油机汽车整车效率分别为16%-18%和22%～24%）。优点③燃料多样化，优化了能源消耗结构。燃料电池所使用的氢燃料来源广泛，自然界中，氢能大量存储在水中，可采用水分解制氢，也可以从可再生能源获得，可取自天然气、丙烷、甲醇、汽油、柴油、煤以及再生能源。燃料来源的多样化有利于能源供应安全和利用现有的交通基础设施（如加油站等）。燃料电池不依赖石油燃料，各种可再生能源可以转化为氢能加以有效利用，减少了对石油资源的依赖，优化了交通能源的构成。④续驶里程长，性能优于其他电池的电动汽车。采用燃料电池发电系统作为能量源，克服了纯电动汽车续驶里程短的缺点，其长途行驶能力及动力性已经接近于传统汽车。燃料电池汽车可以车载发电，只要带上足够的燃料，它可以把我们送到任何想去的地方。燃料电池电动汽车在成本和整体性能上（特别是行程和补充燃料时间上）明显优于其他电池的电动汽车。优点⑤过载能力强。燃料电池除了在较宽的工作范周内具有较高的工作效率外，其短时过载能力可达额定功率的200%或更大，更适合于汽车的加速、爬坡等工况．燃料电池的短时过载能力可达200%的额定功率。⑥运行平稳、低噪声。燃料电池属于静态能量转换装置，除了空气压缩机和冷却系统以外无其他运动部件，因此与内燃机汽车相比，摆脱了马达的轰鸣，运行过程中噪声和振动都较小。①燃料电池汽车的制造成本和使用成本过高。制约燃料电池汽车推广应用的最大因素之一是燃料电池的生产成本一直居高不下。④氢燃料电池汽车燃料的供应还有大量的技术问题有待解决。②启动时间长，系统抗震能力还需提高。⑤供应燃料辅助设备复杂，且质量和体积较大在以甲醇或者汽油为燃料的FCEV中，经重整器出来的“粗氢气”含有使催化剂“中毒”失效的少量有害气体③经济且无污染地获取纯氢燃料还存在技术难点。通过重整或改质技术转化传统的化石燃料获取纯氢天然气，不仅要消耗大量的能量，而且并没有从根本上摆脱对化石能的依赖，也没有从根本上消除对环境的污染。缺点⑥稀有金属铂金Pt被大量应用也制约着燃料电池电动汽车的推广应用。稀有金属铂金作为燃料电池必不可少的反应催化剂，按照现有燃料电池对铂金的消耗量，地球上所有的铂金储量都用来制作车用燃料电池，也只能满足几百万辆车的需求。⑦加氢站等基础网络设施建设几乎为零，目前全球范围内投入使用的加氢站仅有100多家，且大部分是用于实验用途的。如果说技术和成本是科研机构和企业通过努力可以自行解决的问题，那么相应的配套设施建设则不是举一人之力可以完成的，需要国家政策、产业链条、基础设施建设等多方面的准备，并及时制定完善的行业标准和规范加氢站等基础设施建设，既涉及城市规划、交通、电力等问题，又要解决投资和经营者的获利问题，同时还要有效解决加氢的核心技术和统一标准等问题。缺点发展历程及现状03目前，所有领先的汽车制造厂都在积极开发燃料电池发动机技术，并且许多国家在燃料电池的研究方面取得了可喜的成绩。如今，燃料电池的功率密度已超过1.1kW/L。同时，燃料电池还可用于固定式、便携式和船用动力等非运输车应用环境。这些开发项目所生成的协同作用将加快燃料电池在所有应用领域中的开发进程，并将大幅度降低燃料电池的生产成本。燃料电池技术虽已取得快速发展，但要使其装载使用达到规模，仍有一些难题需要解决，例如氢的制取、储存及携带成本高、基础设施建设投资大等。当前研究和开发工作的重点是降低成本和开发大规模制造工艺。随着燃料电池的体积功率和质量功率的逐步提高，生产成本的不断降低，制造材料和工艺的进一步改进和完善，以燃料电池作动力的汽车将会得到广泛使用。 巴拉德（Ballard）汽车公司是PEMFC燃料电池技术领域中全球领先的公司。1993年巴拉德公司推出了世界上第一辆使用燃料电池的电动公共汽车样车。1994年，戴姆勒克莱斯勒公司就开发出了燃料电池汽车“NECAR1在1997年秋的法兰克福汽车展上，戴姆勒克莱斯勒公司展岀了“NECAR3”，功率密度可达1000W/L,是世界上第一辆使用甲醇重整制氢装置的燃料电池汽车。C12月15日,丰田发布了全球第一款实现量产的氢燃料电池汽车“Mirai”（意为“未来”），并率先在日本上市。2014年新能源汽车万里行”活动中，荣威750燃料电池汽车以其动力强劲且操控性能稳定的特点，成为了国内氢燃料电池汽车技术的代表。2016年2月，英国的RiversimpleMovement公司发布了一款小型氢动力燃料电池汽车Rasa,其定位为一台轻型、大众化、经济实用的小型车。国际上燃料电池汽车的发展状况车用燃料电池出货量快速增长氢燃料电池及氢燃料电池汽车的研发与商业化应用在日本、美国、欧洲迅速发展，美日韩德等国巨头车企的燃料电池汽车已经量产或即将量产。据统计，2018年全球燃料电池总体出货量预计达到75000台，较2017年增加4000台；装机容量达到800MW，较2017年增加145MW。其中约10%用于汽车中，而2014年仅3%左右。国际上氢燃料基础设施建设不断完善世界主要发达国家从资源、环保等角度出发，都十分看重氢能的发展，各国氢能源的基础设施建设规划都在有条不紊的进行中。在制氢、储氢、加氢等环节持续创新，氢能和燃料电池已在一些细分领域初步实现了商业化，同时加氢站也在持续建设和发展。根据H2网站公布的数据，截止2018年底，全球加氢站数目达到了369座，年度新增48座，其中273座对外开放，其余加氢站只能为特定用户提供服务，如公共汽车及车队客户。国际上整体来看：核心技术不断进步，但是与国际领先水平差距较大。整车开发方面，目前，我国已经初步掌握整车、动力系统与核心部件的核心技术并具有整车生产能力。但是，在燃料电池汽车车型平台开发方面，以上汽股份、上海大众、一汽、长安、奇瑞等公司为代表开发的燃料电池轿车均基于传统内燃车或纯电动汽车进行改制，尚未掌握燃料电池汽车专用车身、底盘开发、底盘动力学主动控制等关键技术。车载储氢和供氢技术方面我国基本掌握了35MPa高压储氢罐和加注系统关键技术，实现高压氢气瓶等部件国产化开发，但某些关键阀门、管路、传感器等国内尚停留在研究或小批量阶段，仍依赖进口。70MPa氢气存储关键技术已取得突破，III型储氢瓶已有批量产品，但阀门、管路等关键部件仍然处在研发阶段，制约了我国低成本燃料电池乘用车的开发进程。国内在供氢方面国内已开发出可满足60kW以内燃料电池发动机需求的引射式供氢组件产品，而对于回氢泵，尚未掌握其核心技术。燃料电池用无油空压机方面雪人股份通过股权收购的方式取得了双螺杆空压机的核心技术，德燃动力通过自主开发的方式已掌握可满足60kW以内燃料电池发动机用空压机技术，另外清华大学、西安交通大学等高校也这些方面进行了大量研究和开发工作。燃料电池发动机可靠性、寿命和环境适应性方面，在车载工况下，目前的使用寿命在3600小时左右，大约3000km需要进行相应的维护，冷启动温度为-20℃，这与国外的燃料电池发动机相比，尚有差距，制约了我国燃料电池汽车的商业化推广。国内现实事例04丰田Mirai燃料电池汽车本田ClarityFuelCell丰田Mirai燃料电池汽车——整车丰田Mirai燃料电池汽车——子系统01燃料电池堆

02储能电池

03

高压储氢气罐

04

驱动电机和FC升压变频电机

05

动力控

制装置

丰田Mirai燃料电池汽车—子系统燃料电池堆为了提高效率，Mirai后备箱中有一块镍氢储能电池，用于吸收燃料电池组输出剩余的电能和车辆行驶过程中回收的电能，供汽车急加速或车载电池使用。储能电池丰田Mirai燃料电池汽车—子系统FC升压变频器驱动电机TFCS系统中，燃料电池发出的电能还需要经过升压变频器的升压才能供给电动机使用，最大输出电压为650V。动力控制装置本田ClarityFuelCell——结构外形在设计上，本田ClarityFuelCell比较传统，不像丰田Mirai那样特色鲜明。它的长宽高分别4915mm/1875mm/1480mm，轴距则是2750mm。在ClarityFuelCell相对传统的设计之下，是一套突破传统的燃料电池动力系统，以及储氢罐和锂电池。本田ClarityFuelCell——两级电动增压器为了给燃料电池堆提供充足的氧气，ClarityFuelCell首次应用了两级电动增压器，供气效率比传统的气泵高了很多。丰田MiraiVS本田ClarityFuelCell它们在燃料电池技术方面处于同一水平。或许是由于风阻较小的原因，本田ClarityFuelCell的续航里程会更长一些。它们最大的区别在于动力系统的结构和布局。丰田Mirai的燃料电池堆位于前排座椅下方，而本田ClarityFuelCell的燃料电池堆位于前舱中，集成化程度要更高一些。总结应急预案先后顺序其他想法05目前，氢燃料电池还面临着成本高、氢能供应设施不完善等问题，因此，大规模使用收到阻碍。但随着国家不断地支持，燃料电池与氢能技术在快速的发展，并有望实现2020年示范运行，2030年大规模推广运用，2050年普及应用的目标。

长远来看，碳能源向氢能源的转变将是未来能源转型的大趋势，氢燃料电池也将从新能源汽车、分布式发电等各个领域实现它的价